准东煤燃烧过程碱金属释放的高精度数值模拟

In order to develop the technologies for reducing or capturing the harmful alkali metal emissions and resolve the fouling, slagging and corrosion issues of heat transfer surfaces during the combustion of Zhundong coal, there is an urgent need to better understand the release and reacting dynamics of Na during the combustion of Zhundong coal. So far, research on alkali metal release and reaction during coal combustion has been largely using experimental methods, e.g., sampling measurement and online laser diagnostic techniques; while numerical research using high-fidelity simulation techniques to obtain the 3D field of alkali metal dynamics has been rarely reported. In the present proposal, two-color pyrometry will be used for measuring the temperature of pulverized-coal particle, PIV for particle velocity, phase-selective LIBS for Na release; and then a Na release kinetic model of Zhundong coal will be developed based on the combination of these measurements, the phase-selective LIBS results in previous studies, and previous LIBS results of single coal particle performed by the applicant. The Na release kinetic model and homogenous Na reaction model will be coupled into high-fidelity simulation method of multiphase reacting flow, to predict the Na release and reacting dynamics in a multiphase pulverized-coal jet flame. The high-fidelity simulation results will be validated with experimental measurements. The developed high-fidelity simulation technique will be employed to further investigate the Na release and distribution characteristics under different turbulent combustion conditions, which will provide a theoretical basis for the development of combustion technologies for Zhundong coal.

为了发展准东煤燃用过程中的碱金属控制技术，解决燃用准东煤时锅炉受热面的沾污、结渣及腐蚀问题，我们急需掌握准东煤燃烧过程中碱金属Na的释放与反应动力学特性。目前煤燃烧过程中碱金属释放与反应的相关研究主要侧重于通过离线取样分析、在线激光测量等试验手段获取燃烧过程中碱金属的释放规律；而利用高精度数值模拟手段对碱金属动力学过程进行全尺度三维模拟研究还非常匮乏。本项目拟利用双色法获取煤粉颗粒温度、PIV获取颗粒速度、相选择性LIBS测量Na释放，结合前人相选择性LIBS测量结果以及申请人前期单颗粒LIBS测量数据，建立准东煤粉颗粒燃烧过程的碱金属Na释放动力学模型，耦合气固多相燃烧高精度模拟方法以及碱金属Na均相形态转化动力学模型，实现气固多相煤粉射流火焰的燃烧及Na释放与形态转化模拟，并与试验结果进行对比验证，进一步探讨不同湍流燃烧工况下的Na释放及分布规律，为准东煤的燃烧技术发展提供理论基础。

新疆准东煤田是我国目前最大的整装煤田。准东煤具有热值高、灰分及硫分含量低等优点，但煤中碱金属钠Na的含量为常见煤种的5倍以上，导致了准东煤燃用过程中锅炉受热面一系列严重的沾污、结渣和腐蚀问题。本项目针对准东煤湍流燃烧过程中碱金属Na的释放与形态转化问题，通过以高精度数值模拟为主、结合实验测量的研究手段，开展了准东煤粉颗粒群的着火及燃烧特性机理、煤粉气固两相湍流燃烧过程碱金属释放与反应特性、碱金属化学反应的机理简化等相关研究工作，研究结果具体如下：通过先进激光诊断技术，测得了四种不同赋存形态碱金属在准东煤燃烧全过程中的释放规律，发现水溶性碱金属贡献了准东煤燃烧全阶段碱金属释放的76%比例，占据碱金属释放的主导地位。基于一维预混小火焰方法率先发展了煤粉两相燃烧过程中碱金属化学反应的建表模拟法，并分别开展了基于反应机理和化学建表方法的煤粉湍流火焰三维直接数值模拟，两者模拟结果的相关系数大于0.9，验证了碱金属化学建表法的准确性。通过一维预混/扩散煤挥发分火焰以及二维煤粉火焰的高精度数值模拟探究了煤粉燃烧中碱金属与硫、氯之间的相互作用特性，对挥发分碳氢燃料的均相燃烧以及碱金属钠组分的均相反应都采用了复杂化学反应机理进行描述，结果表明HCl与碱金属的反应能力远强于SO2。基于直接关系图形法和遗传算法对碱金属化学反应详细机理进行了简化和速率参数优化，并利用得到的简化机理开展了煤粉湍流火焰中碱金属反应的三维直接数值模拟。通过与详细机理直接数值模拟结果对比，验证了所发展简化机理的准确性，同时简化机理节约了75~84%的计算资源消耗。未来将基于本项目上述研究成果建立成熟的准东煤粉锅炉碱金属释放模拟技术，并发展相应的碱金属控制技术，以实现准东煤的大面积推广利用。在本项目资助下已发表国内外学术论文共计13篇，其中SCI论文10篇；培养博士后1名、博士和硕士研究生2名。